低温冷屏蔽系统单元模型数值模拟

　　在石油化工的生产过程中,以低温液体相变制冷为原理的技术应用取得了长足的发展和进步,如果将该技术应用于氢、氦等低温流体的液化及储存过程,使其实现对外界热量的冷屏蔽效应,就可有效提高生产及储存效率,拓展其实用领域。由于低温液体与外环境之间有复杂的传热及流动问题,因此,National Aeronautics Space Administration(简称NASA)主要采用间歇排压方式控制失重状态下空间飞行器内低温储箱的系统压力来实现深冷剂在空间的管理及相变制冷问题^[1]。另一方面,国际上主要利用主动冷却及强迫汽液混合的方式解决低温液体无损储存的问题及低温储箱内的自增压问题^[2,3]。文献^[4]利用数值模拟方法对低温液氢储箱内的气、液两相流场问题进行研究。笔者根据以上研究成果,主要分析研究深冷空间冷屏蔽系统单元模型表面传热和流场,包括表面温度分布与热流的关系、温度梯度和热流密度q沿冷屏壁面的分布情况等。

　　1 系统模型

　　根据斯蒂芬-玻耳兹曼定律,物体的辐射能与该物体温度的四次方成正比,说明物体表面温度大小对该物体发出的红外辐射的强弱起着决定性作用,为降低空间物体的红外热辐射特性,采用低温制冷方法降低物体表面温度具有重要意义。如果在物体表面安装液氮低温冷屏蔽系统,以低温冷屏蔽系统将物体包裹起来,就可以有效降低其红外热辐射特性。文中根据空间物体的特点和已知或设定参数建立的冷屏蔽系统模型见图1。该模型中制冷剂储存于毛细材料内,毛细材料分层安装于支架上,支架与二次扩压分流管路紧密相贴并通过二次扩压分流管路与冷屏外层内表面紧密接触,二次扩压进气管路与位于冷屏底部的二次扩压器及二次扩压排气管路相连接,内外层之间也留有气流通道。

　　2 单元传热模型及其数值模拟

　　2.1 单元模型

　　根据系统模型的特点,为便于简化分析,建立100mmx100mm的壁面单元传热模型,模拟储液分层高度为100mm时单元模型的极限温度及热流分布规律,最后模拟特定参数下模型的最大温度、温度梯度、最大热流密度及其分布规律。冷屏单元夹层的结构关系见图2。每一夹层内液氮蒸发后产生的蒸汽由蒸汽出口流动至气流夹层汇合,经节流降压后由系统排出。由于整体结构复杂,所以文中建立的单元模型主要模拟单元夹层液氮夹层的传热及流场问题。简化后的液氮夹层单元模型见图3。

　　采用大孔径无吸附能力的毛细材料的主要作用是防止制冷剂在运行过程中晃动,所以文中的分析及模拟过程不予考虑。模拟主要集中在出现极端情况时储液槽分层底部有极少量液氮而液氮夹层内主要以饱和蒸汽为主时系统的表面温度分布情况。